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Informatica Medica Slide 1 Dr. Armando Abate
Informatica Medica
Slide 1
Dr. Armando Abate
La Medicina non è una scienza esatta
Nome Cognome Ente
Da una novella di Ben Hecht, 1945:
Un medico, anziano membro del segretissimo Club X,
illustra gli scopi del club stesso ad un novizio:
“… I membri del Club hanno un solo scopo: essi si riuniscono ogni tre mesi e ogni volta confessano gli omicidi che hanno commesso dall’ultima riunione. Mi riferisco, naturalmente, ad omicidi medici, omicidi “professionali”. Talvolta preferirei sentire di un omicidio commesso per passione piuttosto che per stupidità... Comunque, Dr. Warner, se lei ha da poco ucciso una moglie o fatto fuori uno zio, e vuole togliersi qualche senso di colpa, siamo qui per ascoltarla. Va da sè che non riferiremo nulla nè alla polizia nè all’ordine dei medici … il nostro scopo è unicamente scientifico. Avendo assodato che nessuno di noi ammetterebbe mai i propri errori in pubblico, … abbiamo fondato questa società segreta. E’ l’unica società scientifica al mondo dove i membri parlano esclusivamente dei propri errori…”
Il miracolo
dei quindici
assassini
Il miracolo
dei quindici
assassini
… Mi riferisco a quei casi in cui il medico, per
una diagnosi sbagliata, per un trattamento,
un’operazione o una procedura
dimostrabilmente sbagliati, ha provocato la
morte di un paziente che, senza l’attenzione di
quel medico, avrebbe continuato a vivere …
Ma qual è il miracolo?
la novella termina con i quindici medici che
salvano una vita, risolvendo un caso
estremamente complesso, proprio grazie ad
una serie di ragionamenti sui loro errori e alle
lezioni imparate dai loro precedenti “omicidi”
Il miracolo
dei quindici
assassini
Anche in Italia …
Le cose stanno cambiando e i casi del Club X raramente restano segreti, si sta imponendo una cultura diversa che punta proprio ad “imparare dall’errore”
Le cose stanno cambiando e i casi del Club X raramente restano segreti, si sta imponendo una cultura diversa che punta proprio ad “imparare dall’errore”
… La Medicina non è una scienza esatta
• I medici sono chiamati giornalmente a prendere decisioni in condizioni di incertezza– Sui dati – Sulla diagnosi – Sulla terapia– Sulla prognosi
… non solo i medici
anche gli amministratori e coloro che stabiliscono le politiche sanitarie devono prendere decisioni. In questo caso oltre agli effetti sulla salute si devono considerare anche i costi:analisi costo-beneficio, costo-efficacia, …
– Avviare o no una campagna di vaccinazione ?– Avviare o no uno screening ?
Presa di decisioni in condizioni di incertezza (prevalenza, effetti collaterali, …) e
in presenza di risorse economiche limitate
Come si può governare l’incertezza con l’informatica?
Una definizione ambiziosa (Coiera, 1997)
• L’informatica medica è la logica della sanità.
• Studio razionale del modo in cui – i pazienti vengono pensati– i trattamenti sono definiti, selezionati ed
ottimizzati– la conoscenza medica viene creata, formata,
condivisa ed applicata– la sanità è organizzata per fornire i suoi servizi
Altre definizioni ...
• Applicazioni dell’informatica alla medicina (Van Bemmel, Handbook of Medical Informatics)
• La scienza che si occupa della gestione dell’informazione e dei programmi basati su calcolatore in sanità (Oregon Health Science University)
• Applicazione dei principi della Teoria dell’informazione alla conoscenza medica con l’obbiettivo di fornire un supporto alla risoluzione delle problematiche della Scienza Medica attinenti alla diagnosi, alla terapia ed alla prevenzione (N. Cappello, Informatica Medica)
Circa 50.000 pazienti muoiono ogni anno negli ospedali americani per errori prevedibili.
La spesa sociale ogni anno supera quella causata dalle morti per incidenti stradali e aerei, suicidi, assunzione di droga e avvelenamenti.
L’85% dei trattamenti non sono giustificati sulla base delle evidenze scientifiche
L’aumento delle risorse non ha aumentato l’efficacia dei trattamenti
Il trasferimento nella pratica dei risultati della ricercabiomedica è lento e non sistematico
Sfide alla medicina attuale
• Revisione periodica del peso relativo tra scienza, organizzazione e tecnologia.
• Nuova concezione del paziente: non più un oggetto di trattamento ma un soggetto di vita (da “cure” a “care”, maggior interesse alla qualità dei trattamenti).
• Medicina dell’evidenza: uso delle tecnologie non basate sul pregiudizio favorevole di una loro maggiore efficacia, ma su seri studi di epidemiologia clinica.
Il ruolo dell’informatica medica
Garantire costo-efficacia dei servizi sanitari aumentandone la qualità.Favorire la collaborazione tra i membri di un team di specialisti coinvolti nella gestione di un paziente.
Medicina dell’evidenza
Gestione e comunicazione di dati ed informazione
Usare in modo efficiente ed efficace le soluzioni tecnologicheApplicabilità ed usabilità
L’uso delle soluzioni di IT
rende più efficacie la
prescrizione medica (BMJ, 2000; 320:788-
791)
Il fine e i mezzi ...
• Il fine è l’innovazione e l’ottimizzazione del processo di cura dei pazienti
• Gli strumenti sono:– Sistemi basati su Information and Communication
technology– Sistemi di classificazione e codifica– Sistemi formali per definire linee guida– Sistemi di analisi dati e supporto alle decisioni– ...
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Informatica medica• Matematica statistica• Teoria dei sistemi• Informatica (tecniche di programmazione)• Metodi computazionali• Elaborazione delle immagini e dei segnali biomedici• Fisica dei processi di produzione delle immagini• Gestione dei dati clinici• Biomeccanica• Modellistica ……….. Biochimica………• Chirurgia assistita da computer• Diagnosi semiautomatica o automatica• ……………..
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Informatica medica• Medicina (EBM Evidence Based Medicine)
– Studio dei sistemi biologici ed applicabilità• Troppo spesso l’applicazione di trattamenti non è
giustificata dall’evidenza scientifica
– Prevenzione dello stato di malattia– Cura della malattia
• Il paziente soggetto e non oggetto della curaqualità dei trattamenti
– Riabilitazione dopo evento traumatico– Gestione e Organizzazione del S.S.N.
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Informatica medica• Informatica
– Tecniche di acquisizione ed elaborazione dati– Gestione di data base – Modellizzazione– Ruolo
• Garantire un rapporto costo/beneficio basso EBM• Favorire l’integrazione e lo scambio di dati tra gli
specialisti che seguono il paziente• Permettere una più rapida verifica dell’applicabilità
delle tecnologie
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Diagnosi e terapia
Paziente Specialista
Terapia Decisione
OsservazioniDati
AnalisiEstrazione Informazioni
Diagnosi
Somministrazione
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Informatica medicaFine è quindi :
L’ottimizzazione del processo di diagnosi e scelta del più efficace ed efficiente trattamento terapeutico
Mezzi sono gli strumenti che ci permettono di realizzare :Sistemi per la classificazione e codificaSistemi di comunicazioni ed information retrieval Sistemi per la definizione di linee guida e protocolliSistemi per l’analisi dei datiSistemi di supporto alle decisioni
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Informatica medicaConcetti coinvolti nel raggiungimento del fine
InformazioneDati – Contesto – Conoscenza - Interpretazione
ModelliAstraggono porzioni della realtà e ne danno delle assunzioni Sistemi interattivi ed informativiCommistione tra informazione e modelli
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Modelli
Un modello è una rappresentazione della realtà !
Ci permettono di comprendere la nostra interazione con il mondo fisico che ci circonda.
Tanti tipi di modelli: in scala, in materiale particolare,in settori specifici (Aeronautica, architettura e costruzioni,……)
Il modello come visione della realtà da realizzare
Il modello come sistema predittivo del comportamento reale
Il modello dei sistemi biologici come suppletivo per lo studio
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Modelli
Mondoreale
Modello delmondo
Astrazione
1. Il modello è sempre più semplice del mondo reale
2. Il modello è una distorsione del mondo reale
3. Molti modelli con finalità diverse
I modelli servono anche per costruire artefatti
Mondo reale
Modello del mondo
Artefatto
Modello dell’artefatto
Assunti delprogetto
Interazione
I modelli servono anche per costruire artefatti
Corpo Umano
Sistema cardio-vascolare
Cuore artificiale
Progetto deldispositivo
Assunti delprogetto
Interazione
Dati, informazione, conoscenza
• I dati consistono di fatti• I dati diventano informazione
se interpretati in un contesto utilizzando la conoscenza sul contesto stesso
• La conoscenza è un insieme di modelli costruiti per comprendere il mondo
Dati
Informazione
Conoscenza
Dati, informazione, conoscenza
Medico
Paziente Interpretazione Deduzione
conoscenza
Corpo della Conoscenza
Informazione
Conoscenza
• Conoscenza: insieme di modelli che descrivono la nostra comprensione del mondo
• Modelli costituiti da simboli• Un modello simbolico viene creato utilizzando
un linguaggio che definisce il significato dei diversi simboli e le loro possibili relazioni
I modelli• Rappresentazioni semplificate e
convenzionali della realtà• Modelli simbolici:
– linguaggio simbolico– insieme di relazioni
152227.494325
Paziente n.pHpaCO2
HCO3
Dati Linguaggio
Se pH>7 allora elevato
Emogasanalisi pz.15222:pH elevato
+
Modello Informazione
La conoscenza acquisita attraverso la costruzione di modelli
Mondo reale
Modello Simbolico
Informazione
Modello Simbolico
Linguaggio
Azione
Acq
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cenz
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App
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Sistema reale, modello, calcolatore
SISTEMAREALE
SISTEMAREALE CALCOLATORECALCOLATORE
MODELLOMATEMATICO
MODELLOMATEMATICO
MODELLISTICA
Scienze biologiche
e fisiche di base
Teoria dei sistemi
MODELLISTICA
Scienze biologiche
e fisiche di base
Teoria dei sistemi
SIMULAZIONE
Analisi numerica
Metodologie di
programmazione
SIMULAZIONE
Analisi numerica
Metodologie di
programmazione
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0
50
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0
50
100
% del modello uomo/computer
Interpretazione totale del computer
Interpretazione umana
%
del
mod
ello
Visualizzazione ottimizzata dei
dati
Essere umano e computer
Uomo Computer
Database
Sistemi esperti
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Informatica medica
• Informatica– Acquisizione ed elaborazione dati
• Acquisizione (trasduttori – campionatori)• Telerilevamento di dati biomedici• Filtraggio digitale• Elaborazione delle immagini e dei segnali biomedici• Presentazione dei dati• Trasmissione delle informazioni sensibili (standard)• Utilizzo di software come Excel – SPSS – STAT MatLab -
C++ - Visual Basic
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Informatica medica
• Informatica– Gestione di data base
• Organizzazione delle informazioni - definizione delle chiavi di ricerca
• Utilizzazione di software come Access – Oracle linguaggio SQL (Sort Query Language)
• Elaborazione statistica dei dati sanitari per la valutazione di efficacia ed efficienza delle terapie
– Metodi computazionali e Modellizzazione• Risoluzione con metodi numerici (Monte Carlo / Metodi
spettrali / Stime di Bayes / Algoritmi di Markov• Realizzazione di modelli matematici per …..
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Informatica medica
• Medicina– Studio dei sistemi biologici
• Fisiologia - Fisiopatologia
– Prevenzione dello stato di malattia• Epidemiologia - Statistica
– Cura della malattia• Gestione delle terapie – Dispositivi medici terapeutici
– Riabilitazione• Apparati di supporto alla riabilitazione (stimolatori,
stimolazione propriocettiva, sistemi per isocinetica)
Elaborazione
PROBLEMATICA
ANALISI DEI DATI
RISULTATI RICHIESTI
DI INGRESSO E DEIDEFINIZIONE DEGLI
ALGORITMIDI ELABORAZIONE
REALIZZAZIONE DELLA
PROCEDURA
AUTOMATIZZATA
ELABORAZIONEMANUALE
e/oELETTRONICA
DATI DI
INGRESSO
RISULTATIINFORMAZIONI
RICHIESTE
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Elaborazione dieta
La prescrizione dietetica
Indice
• L’indice di massa corporea: BMI• Calcolo del BMI
– Creazione di un modulo per il calcolo– Confronto con valori di riferimento
• Calcolo del peso ottimale• Riepilogo
Body Mass Index (BMI)
• IL BMI è considerato l’indice più affidabile per diagnosticare l’obesità– si è tuttavia osservato che, anche in presenza
di BMI normale, ma in presenza di obesità centrale (viscerale) il rischio per patologie quali diabete, ipertensione, infarto è molto elevato
• Si ottiene dividendo il peso corporeo (espresso in kg) per il quadrato dell’altezza (espressa in metri)
Il calcolo del BMI
• Vogliamo usare uno strumento informatico per facilitare il calcolo del BMI
• Trattandosi di calcoli su pochi dati (peso e altezza), useremo un foglio elettronico
• Nel nostro caso: Excel
Calcolo del BMI• Possiamo scomporre il problema in:
1. Calcolo del BMI, secondo la formula
2. Confronto del valore ricavato con i valori di riferimento:
2altezza
pesoBMI 2altezza
pesoBMI
Valori di riferimento del BMIValori di riferimento del BMI
SottopesoSottopeso <18.5<18.5
NormopesoNormopeso da 18.5 a 24.9da 18.5 a 24.9
SovrappesoSovrappeso da 25.0 a 29.9da 25.0 a 29.9
Obesità di classe IObesità di classe I da 30.0 a 34.9da 30.0 a 34.9
Obesità di classe IIObesità di classe II da 35.0 a 39.9da 35.0 a 39.9
Obesità di classe IIIObesità di classe III >40.0>40.0
Disposizione del foglio
• Individuiamo due celle di ingresso, per Peso e Altezza, e una cella con il risultato BMI
• Corrediamo ogni cella di una etichetta esplicativa e di una unità di misura
• In E7: =D4/(D5/100*D5/100)
Carenze della soluzione
• Non è ovvio quando si guarda il foglio quali celle contengano valori di ingresso e quali di uscita– L’aspetto esteriore è identico, la formula non è
visibile• Non è chiaro se le celle visibili siano le
uniche presenti nel foglio– Forse ci sono altri dati da compilare nella zona
non visibile del foglio?• L’usabilità del foglio non è soddisfacente…
Miglioramenti dell’usabilità
Un titolo identifica la funzione del modulo
Miglioramenti dell’usabilitàIl colore di fondo distingue le celle di ingresso e quelle di uscita dalle altre
Miglioramenti dell’usabilità
Una campitura e un bordo più spesso delimitano l’area di interesse del foglio
Miglioramenti dell’usabilità
Un formato cella con solo un decimale semplifica la lettura del risultato
Continua…
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Elaborazione delle immaginiFiltraggio delle immagini
25
1
*i
iival FPP
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Filtraggio immagini
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Filtraggio enhance
Slide 54
Filtraggio erode
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Filtraggio sharpen
In generale, come lavora una TAC?
Ricostruzione e postprocessingRicostruzione e postprocessing
Acquisizione datiAcquisizione dati
Generazione raggi XGenerazione raggi X
Principio base della misura
I=I0 ·exp(- ds)
“integrale di linea”
ds = - ln(I/ I0)
Coefficiente di attenuazione, valore CT
Dati grezzi
Sequenza dei profili di
attenuazione
tempo(proiezioni)
profilo di attenuazione(canali)
1. proiezione
tempo(proiezioni)
2. proiezione
profilo di attenuazione(canali)
Dati grezzi
Sequenza dei profili di
attenuazione
tempo(proiezioni)
Rotazione completa
dati grezzi CT
profilo di attenuazione(canali)
Dati grezzi
Sequenza dei profili di
attenuazione
Ricostruzione immagini
Dati grezzi Immagine TAC
Basi matematiche:Radon (1917)
In pratica:a) Metodo di Fourier
o
b) Retroproiezione filtrata
Retroproiezione non filtrataoggetto
12348163264128
Buona ricostruzione, ma non molto accurata...
Oggetto ricostruito
con proiezioni
Soluzione: impiego di filtri
profilo di
attenuazione di un
cilindro
profilo di
attenuazione filtrato
Filtro:
nuclei di convoluzione
Retroproiezione filtrataoggetto
Questa ricostruzionesembra migliore ...
Oggetto ricostruito
con proiezioni12348163264128
CT
PET
PET + CT
NMR & PET Images of EpilepsyNMR & PET Images of Epilepsy
• NMR “Sees” Structure with 0.5 mm Resolution
• PET “Sees” Metabolism with 5.0 mm Resolution
NMR PET
Schema calcolo dosimetrico in terapia radiometabolica
• calcolo masse, volumi organi e tessuti di interesse
• localizzazione geometrica della distribuzione di attività
jj
eqwj
jisjisrr
rrkcpsFCrD 2,,,,
Calcolo spazio – temporale della biodistribuzione dell’attività
1. Identificare e segmentare tessuti / organi
2. Assegnare le proprietà fisiche (composizione; sezione d’urto)
3. Input del codice Monte Carlo(EGS; Geant4; MCNP/X … )
Distribuzione dosimetrica ottenuta utilizzando i DVK calcolati con
EGSnrc
• Visualizzazione della distribuzione di dose,•Applicazione modelli radiobiologici
Modelli matematici
• La sopravvivenza cellulare S di una popolazione cellulare è ben rappresentata dal modello Lineare Quadratico
D
N
DEXPS
Come agiscono le radiazioni?Come agiscono le radiazioni?
Come agiscono le radiazioni?
una parte delle cellule sane situate nelle vicinanze della neoplasia o attraversate dal fascio di radiazioni, viene inevitabilmente colpita, dando così origine ad "effetti collaterali" o "complicazioni"
Altri distretti corporei
Realizzazione delPIANO DI TRATTAMENTO
Paziente CT per simulazione virtuale e localizzare la zona neoplastica
1,25 mm
1,25 mm
1,25 mm
asse Z
LINAC Simulatore
Nuova simulazione in base al piano di trattamento
Immagine portale
MV imageAP
